Regulador de conmutación de inversión basado en ATtiny84a: ¡critique!

Aquí hay un intento de diseñar un regulador de dinero basado en un ATtiny84a como el controlador PWM. Debe pasar de una batería LiPo 4S (12.8 - 16.8 voltios) a una salida de 12V razonablemente regulada, utilizada para conducir servomotores que aceptan entradas de 10-14V. 4S LiPo es un poco demasiado alto y 3S LiPo es un poco demasiado bajo, especialmente porque quiero el torque nominal de 12V. El diseño está destinado a entregar 40 amperios en el peor de los casos (deteniendo la mayoría de los motores).

No puedo comprar uno de estos, porque tan pronto como dejo el rango de 10-15 A, todos los convertidores DC DC están diseñados para uso industrial y tienen estuches pesados, son realmente caros, requieren una entrada de 24 V u otros errores de coincidencia con mis requisitos actuales

La idea es utilizar el comparador analógico incorporado en el AVR para detectar el voltaje objetivo por encima / por debajo, y generar un pulso de una duración definida cuando se detecta el bajo.

Construiría esto en una placa de pruebas con cables de calibre 20 soldados a través de los cables de componentes para las rutas de alta potencia.

Sé cómo mantener el "nodo de conmutación" y la ruta de retroalimentación lo más corto posible cuando intento hacer el diseño. También pondría a tierra todos los rastros de la placa que no se usan, para hacer el plano de tierra de un pobre.

Intenté elegir un estrangulador donde la corriente de saturación coincida con mi corriente de salida máxima, y ​​un inductor de inversión donde la corriente de saturación es más alta que mi salida máxima.

La frecuencia de esquina de 94 uF y 3.3 uH es de aproximadamente 9 kHz, e imagino que el AVR funcionará mucho más rápido que eso. Estoy pensando en un pulso de 5 us cada vez que se detecta subtensión, y luego vuelvo a buscar subtensión nuevamente. Eso proporciona una frecuencia máxima (en un ciclo de trabajo cercano al 100%) de 200 kHz.

Y aquí está el esquema: https://watte.net/switch-converter.png

Además de las preocupaciones planteadas en los comentarios (polaridad P-FET incorrecta, sin diodo de captura / MOSFET), tengo algunas preocupaciones de un vistazo:

• El microcontrolador no podrá conducir la compuerta de Q1 muy duro (por lo general, los pines GPIO solo pueden generar unos pocos miliamperios), por lo que su encendido y apagado serán muy lentos. Esto limitará qué tan bien se comportará su interruptor de lado alto.

• No tiene una resistencia de puerta a fuente en Q1, por lo que depende únicamente de que GPIO mantenga encendido o apagado el MOSFET. Si el pin GPIO pasa a alta impedancia, el MOSFET puede encenderse si la compuerta recibe una carga del medio ambiente.

• Si su resistencia de compuerta de canal P 70R está firmemente encendida (si Q1 está saturado), se quemará

  $D \cdot \dfrac{(16V)^2}{70 \Omega} = D \cdot 3.65W$

  que es una alta potencia loca ya que D va a ser alta (la entrada está cerca de la salida). Además, los 225 mA o más que fluirán también se quemarán en Q1, lo que no es saludable ya que es un dispositivo relativamente pequeño.

  $V_{GS}$$V_{GS}$

  • Su red de comentarios puramente resistiva es una mala idea. Realmente necesita alguna compensación y / o filtrado. Su comparador será hiperrápido y podría reaccionar al ruido de conmutación, captación, ondulación, etc., ya que no parece estar usando un amplificador de error con compensación para controlar la ganancia y la fase, necesitará un poco de límite. a través de R5 (y algo de suerte).

  • No tiene ningún monitoreo actual o protección contra sobrecorriente en su tren de fuerza.

  • No tiene ninguna protección contra sobretensión en su tren de fuerza.

  • No tiene ninguna protección contra sobretemperatura en su tren de fuerza.

  • No tiene protección de entrada de polaridad inversa y un fusible de entrada en su tren de potencia. Gran no-no, especialmente cuando la fuente está basada en batería (gran capacidad de abastecimiento de cortocircuito).

Este es un proyecto más simple si utiliza un controlador analógico síncrono estándar. No entiendo por qué querrías usar ATtiny para esto.

Dicho esto, este no es un proyecto simple de ninguna manera. Su esquema es en gran medida incompleto y carece de la protección de seguridad básica que necesitará cualquier fuente de alimentación (especialmente las que funcionan a niveles de potencia altos como la suya).

Piense en sus requisitos, calcule todas las pérdidas, diseñe algunas protecciones y regrese con rev. 2)

Está diseñando un regulador Buck para:

• Vin de 12.8 a 16.8 voltios de una batería LiPo de alta capacidad.
• Vout de 12V a 40 amperios.
• La técnica de control es constante en el tiempo y variable fuera del tiempo.

Incluso después de la buena respuesta de Madmanguruman, hay cosas adicionales que deben tenerse en cuenta. La principal dificultad con este diseño será la alta corriente que se procesa. Prestaré atención principalmente a los componentes de procesamiento de potencia, modulador de potencia y filtrado.

• $\text{D } \text{Iout}^2 \text{Rds}$

• Gate Drive. No hay una unidad de puerta adecuada en este diseño. Especialmente para apagar. Con 70 ohmios apagando un FET con Ciss de 3500pF, el tiempo de apagado será de al menos 500nSec. Esto significará una gran pérdida de conmutación en el FET, probablemente al menos 15 W de pérdida adicional en el FET. Este diseño tiene que tener una unidad de puerta mucho mejor. Dado que la unidad de puerta necesita ser mejorada de todos modos; sería muy beneficioso cambiar a un FET de conmutación de canal N y utilizar un rectificador síncrono correspondiente con un IC de accionamiento de puerta (como IR2104 o LM5104 o algo así).

• Control de histéresis. No hay problema con el tiempo de encendido constante, control de tiempo de apagado variable. El control de histéresis puede (si tiene cuidado) funcionar bien y tener una excelente respuesta transitoria. Pero, el problema aquí es usar el comparador en la uC. Debe haber acceso al comparador para proporcionar histéresis adicional. Por lo tanto, se debe agregar un comparador con histéresis y con un tiempo de respuesta inferior a 500 nSec. Desea agregar histéresis de aproximadamente 100mV.

• Filtro de salida. Buen inductor, L1. Con una corriente de ondulación de 40 A más, estará al borde de la saturación. Sería mejor tener una parte actual más alta, pero no es una preocupación importante. Parece que los condensadores de salida C1 y C2 son cerámicos, lo cual es una buena opción, debería ser capaz de tener una ESR total de menos de 20 mOhms para un voltaje de ondulación de ~ 100 mV. Es interesante que la resistencia de carga a la carga máxima (~ 0.3 Ohms) esté muy cerca de la impedancia característica del filtro de salida (~ 0.2 Ohms). Esto es una suerte, ya que significa que el filtro está bien amortiguado, más sobre esto más adelante. Si solo está manejando motores con este suministro, no debería haber necesidad del filtro de segunda etapa (L2, C3).

Hay algunas funciones excluidas que deben estar allí:

• Límite actual, debe haber uno, para su propia seguridad, si no es nada más. Con la cantidad de corriente que se maneja, las sorpresas pueden surgir rápidamente. No has vivido hasta que la parte superior del interruptor de encendido se separa explosivamente de la parte inferior y se va volando para pegarse en el techo. De todos modos, algún tipo de límite de corriente, incluso si es solo un fusible.

• Filtro de entrada No está claro sobre el resto del sistema, pero la entrada de este suministro será la fuente de grandes cantidades de EMI. Normalmente esto sería un gran problema.

La impedancia de entrada también es una preocupación aquí. Los reguladores de conmutación tienen una impedancia de entrada negativa y pueden ser buenos osciladores (desafortunadamente). La impedancia de la fuente de LiPo y la red de distribución deben ser inferiores a la mitad de la impedancia de entrada del suministro para evitar la oscilación. Creo que las baterías LiPo de alta capacidad tienen una impedancia de aproximadamente 20 mOhms (aunque esto aumenta con la edad). La impedancia de entrada a plena carga (40A) de este suministro con su filtro de salida de corriente (L1 con C1 y C2) tiene un mínimo de aproximadamente 100mOhms (a 9KHz), lo que se ve bien si la impedancia de la red de distribución de la fuente se mantiene baja. Pero recuerde la amortiguación del filtro de salida que se veía tan bien en la carga de 40 A, bueno, si la carga cae a 10 A, la amortiguación no es tan buena. Eso significa que con una carga de 10A, el mínimo de impedancia de entrada cae a aproximadamente 50 mOhms (a 9KHz), lo que haría que la distribución de la fuente sea realmente estrecha y problemática Qué paradoja, que esto sea un problema de carga ligera causado por la amortiguación del filtro de salida variable.